KR101916795B1 - 스위치드 릴럭턴스 모터를 갖는 모터 시스템 및 그것의 동작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 모터 시스템은, 스위치드 릴럭턴스 모터, 및 상기 스위치드 릴럭턴스 모터를 제어하는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는, 상기 스위치드 릴럭턴스 모터의 제 1 상의 제 1 코일에 전원을 공급하는 충전 회로, 및 상기 제 1 상의 제 1 코일의 전류를 방전하는 방전 회로를 포함하고, 상기 방전 회로는, 상기 제 1 코일에 연결된 소스, 접지단에 연결된 드레인을 갖는 트랜지스터, 및 상기 트랜지스터의 게이트와 상기 소스 사이에 가변 클램프 회로를 포함하고, 상기 가변 클램프 회로는 상기 게이트의 전압에 따라 클램프 전압을 가변 할 수 있다.

Description

스위치드 릴럭턴스 모터를 갖는 모터 시스템 및 그것의 동작 방법{SYSTEM HAVING SWITCHED RELUCTANCE MOTOR AND OPERATING METHOD THEROD}

본 발명은 스위치드 릴럭턴스 모터를 갖는 시스템 및 그것의 동작 방법에 관한 것이다.

SRM(switched reluctance motor)는, 일반적인 BLDC(brushless direct current) 모터와 달리 내부에 영구 자석이 없는 형태의 모터이다. 이러한 이유 때문에 SRM은 모터의 가격이 저렴하고, 내구성도 좋은 특성을 띤다. 이에 SRM은 3상 모터를 적용하는 사례가 늘고 있다. 전장 부문에서는 정밀한 제어가 필요치 않는 영역에 SRM이 적용되고 있다.

한국등록특허: 10-1666734, 공개일: 2016년 08월 23일, 제목: 트랜지스터 온 저항값 추정에 의한 인버터의 고장검출장치 및 그 방법. 미국등록특허: US 8,497,714, 공개일: 2013년 07월 30일, 제목: System and method for driving a switch transistor

본 발명의 목적은 고속으로 동작 가능한 스위치드 릴럭턴스 모터를 갖는 시스템 및 그것의 동작 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 모터 시스템은, 스위치드 릴럭턴스 모터; 및 상기 스위치드 릴럭턴스 모터를 제어하는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는, 상기 스위치드 릴럭턴스 모터의 제 1 상의 제 1 코일에 전원을 공급하는 충전 회로; 및 상기 제 1 상의 제 1 코일의 전류를 방전하는 방전 회로를 포함하고, 상기 방전 회로는, 상기 제 1 코일에 연결된 소스, 접지단에 연결된 드레인을 갖는 트랜지스터; 및 상기 트랜지스터의 게이트와 상기 소스 사이에 가변 클램프 회로를 포함하고, 상기 가변 클램프 회로는 상기 게이트의 전압에 따라 클램프 전압을 가변 할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 충전 회로는, 외부 전압을 수신 및 필터링하는 전원 필터; 및 상기 전원 필터의 출력 전압을 상기 제 1 코일에 연결하는 스위치를 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 충전 회로 및 상기 방전 회로를 제어하는 MCU(microcontroller unit)을 더 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 방전 회로는, 상기 MCU의 제어에 따라 발생된 게이트 전압을 상기 게이트에 인가하는 게이트 구동 모듈을 더 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 방전 회로는, 상기 게이트의 전압을 감지함으로써 모터의 한계 속도를 판별하는 한계속도 판별 회로를 더 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 한계속도 판별 회로는, 상기 게이트의 전압과 제 1 밀러 플래토우 전압을 비교하고, 제 1 판별 신호를 발생하는 제 1 비교기; 상기 게이트의 전압과 제 2 밀러 플래토우 전압을 비교하고, 제 2 판별 신호를 발생하는 제 2 비교기; 및 상기 제 2 판별 신호와 제 1 상의 MCU 전압을 비교하여 제 3 판별 신호를 발생하는 논리 회로를 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 가변 클램프 회로는, 상기 제 1 판별 신호와 상기 제 2 판별 신호 사이에서 상기 클램프 전압을 증가시킬 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 제 3 판별 신호에 응답하여 제 2 상의 MCU 전압이 제 2 상의 코일에 인가될 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 가변 클램프 회로는, 상기 게이트에 연결된 일단을 갖는 제 1 스위치; 상기 게이트에 연결된 일단을 갖는 제 1 제너 다이오드; 상기 제 1 스위치의 타단에 연결된 일단을 갖는 제 2 제너 다이오드; 상기 제 1 제너 다이오드의 타단과 상기 소스 사이에 연결된 제 1 다이오드; 및 상기 제 2 제너 다이오드의 타단과 상기 소스 사이에 연결된 제 2 다이오드를 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 가변 클램프 회로는, 상기 게이트에 연결된 일단을 갖는 제 1 스위치; 제 1 제너 다이오드; 상기 제 1 스위치의 타단에 연결된 일단을 갖는 제 2 제너 다이오드; 상기 게이트에 연결된 일단과 상기 제 1 제너 다이오드의 일단 사이에 연결된 제 3 제너 다이오드; 상기 제 1 제너 다이오드의 타단과 상기 소스 사이에 연결된 제 1 다이오드; 및 상기 제 2 제너 다이오드의 타단과 상기 소스 사이에 연결된 제 2 다이오드를 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 가변 클램프 회로는, 상기 게이트에 연결된 일단을 갖는 제 1 스위치; 상기 게이트에 연결된 일단을 갖는 제 1 제너 다이오드; 상기 제 1 스위치의 타단에 연결된 일단을 갖는 제 2 제너 다이오드; 상기 소스에 연결된 일단을 갖는 제 1 다이오드; 상기 제 2 제너 다이오드의 타단과 상기 소스 사이에 연결된 제 2 다이오드; 및 상기 제 1 다이오드의 타단과 상기 제 1 제너 다이오드의 타단 사이에 연결된 제 3 다이오드를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터를 제어하는 제어기의 동작 방법은: 제 1 상의 제 1 코일에 전원 공급을 위한 스위치를 오프 시키는 단계; 상기 스위치드 릴럭턴스 모터의 한계 속도 도달 여부를 판별하는 단계; 상기 한계 속도에 도달할 때, 액티브 클램프 전압을 증가시키는 단계; 및 상기 제 1 코일에 제 2 상의 전원 공급을 위한 스위치를 온 시키는 단계를 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 한계 속도 도달 여부를 판별하는 단계는, 트랜지스터의 게이트 전압에 대한 밀러 플래토우 전압을 이용함으로써 상기 한계 속도 도달을 판별하는 단계를 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 액티브 클램프 전압을 증가시키는 단계는, 클램프 전압에 대응하는 직렬 연결된 제너 다이오드와 다이오드 쌍을 선택하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터를 갖는 시스템 및 그것의 동작 방법은, 코일의 전류 방전 시 클램프 전압을 가변 함으로써 모터의 한계 속도를 증가시킬 수 있다.

이하에 첨부되는 도면들은 본 실시 예에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 실시 예들을 제공한다. 다만, 본 실시예의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시 예로 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 모터 시스템(10)을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 가변 클램프 회로(222)를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가변 클램프 회로(222a)를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 가변 클램프 회로(222a)를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 트랜지스터(FET)의 밀러 플래토우 구간을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 한계속도 판별 회로(226)를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 7은 U 상을 오프(OFF)하고, V 상을 온(ON)할 때 한계속도 판별 회로(226)의 동작을 예시적으로 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 모터 시스템(10)에서 스위치드 릴럭턴스 모터(SRM)를 제어하기 위한 동작 방법을 예시적으로 보여주는 흐름도이다.

아래에서는 도면들을 이용하여 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 내용을 명확하고 상세하게 기재할 것이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 이용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 이용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 혹은 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 혹은 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다. 본 출원에서 이용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 이용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 혹은 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 혹은 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 혹은 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 혹은 이들을 조합한 것들의 존재 혹은 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 이용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 이용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

일반적으로 SRM(switched reluctance motor)은 일반적으로 고정자가 코일로 구성되고, 회전자는 강자성체인 톱니 모양의 형태로 구성된다. 강자성체는 자속(magnetic flux)이 흐르는데 방해 요소(저항)인 릴럭턴스(reluctance)가 작은 물체를 의미한다. 이 강자성체가 자기장(magnetic field) 안에 놓이게 되면, 자기장 안의 자력선이 이 강자성체로 몰리게 된다.

SRM의 고정자 코일에 전류를 주입하여 여자(excitation)을 시켜 모터 내부에 자기장를 만들면, 자속은 릴럭턴스가 최소가 되는 경로로 흐르게 된다. 이 때 고정자 코일의 여자된 부분과 회전자 톱니 요철의 튀어나온 부분과의 에어 갭(air gap)이 클수록 릴럭턴스가 커짐으로 이 에어 갭이 최소가 되는 방향으로 회전자가 회전을 하게 된다. 에어 갭이 최소가 되는 위치로 회전자가 회전을 마치면, 고정자 코일의 여자 위치를 변경(commutation)하여 다시 에어 갭을 늘린다. 이에 따라 회전자가 다시 회전운동을 하게 된다. 이와 같은 과정을 반복함으로써 SRM을 구동시킬 수 있다.

SRM의 고정자의 여자 위치를 변경(commutation)하는 것은, 특정 상(phase)의 전류 주입을 끊고, 다른 상의 전류 주입을 시작하는 동작이다. 이 때 전류 주입이 끊긴 고정자 코일 상은 자성을 잃게 된다. 이 자성을 잃게 되는 지연 시간이 길게 되면, 특정 속도 이상에서 회전자 구동 토크 손실(loss)이 발생하게 됨으로써, 낮은 속도에서 한계 속도가 형성 된다. 이 때문에 모터의 높은 회전 속도가 요구되는 상황에서는 자성을 잃게 되는 시간을 더 빠르게 함으로써 한계 속도를 높이는 방법이 요구되어야 한다.

코일의 자성을 없애기 위해서는 코일에 흐르는 전류를 0 (zero)으로 떨어뜨려야 하는데, 회전자 구동 토크 손실(loss)를 최소화 하기 위해 전류가 빠르게 감소할 수 있도록 해야 한다. 이를 위한 방법은 여러 가지가 있을 수 있다. 이 방법 중에 전류 주입을 끊는 스위치 오프(switch off) 동작 수행 기간에 전압을 높이는 액티브 클램프(active clamp) 방식이 있다.

여자된 코일의 전류를 빠르게 감소시킨 후, 다른 상(phase)의 스위치를 켜서 여자 시킬 때까지의 간격은 모터의 구동 속도가 증가할수록 짧아지게 된다. SRM을 고속으로 동작시킬 때, 여자된 코일의 전류가 실제로 0으로 감소하지 않은 상태에서 다음 상을 여자시키면 결과적으로 토크 손실(loss)이 발생한다. 이로 인하여 실제 어플리케이션에서 원하는 모터의 동작이 완료되지 않을 수 있다. 따라서 SRM을 고속으로 동작시킬 때, 여자된 코일의 전류가 실제로 0으로 감소하지 않았다면, 이에 대한 정보를 저장하고, 모터의 전류 감소 속도를 더 빠르게 함으로써 모터의 한계 속도를 높이는 조치를 취할 필요가 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 액티브 클램프 회로는 액티브 클램프 구동 시 여자된 코일의 전류가 0까지 감소했는지 모터 구동 중에 실시간으로 판별하고, 이를 감지하여 모터의 한계 속도를 더 증가시킬 수 있다.

일반적으로 여자(excitation)된 코일의 전류를 빠르게 감소시키기 위해 이용되는 방법 중 하나인 액티브 클램프(active clamp) 방식이 이용된다. 액티브 클램프 방식을 이용하면, 여자된 코일의 전류가 0으로 감소할 때까지 트랜지스터(예를 들어, MOSFET)의 드레인-소스(drain-source) 전압이 시스템 전원 전압보다 높은 레벨로 유지하게 된다. 이 때 자화를 풀려고 하는 상의 코일 전류가 0까지 떨어졌는지 여부는 트랜지스터의 드레인-소스 전압을 보고 판별할 수 있다. 하지만, 이러한 드레인-소스 전압은 시스템 전원 전압보다 높기 때문에 센싱을 하기 위해서는 부가적인 회로가 필요하다. 이에 본 발명의 실시 예에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터 및 그것의 동작 방법은 트랜지스터의 드레인-소스 전압을 부가 회로에 의해 감지하지 않고도, 간접적인 방식으로 트랜지스터의 드레인-소스 전압을 센싱 할 것이다.

일반적으로 트랜지스터의 온-오프(ON-OFF)는 게이트의 전압에 따라 결정된다. 트랜지스터의 게이트의 전압은 게이트에 전하를 충전/방전(charging/discharging) 함에 따라서 증가/감소를 하게 된다. 그런데 게이트 전하량이 증가/감소함에도 불구하고, 게이트 전압이 일정한 레벨을 유지하는 구간이 있다. 이 구간을 밀러 플래토우(Miller Plateau) 구간이라 부른다. 액티브 클램프(active clamp) 구동에서는 게이트 전압이 밀러 플래토우(miller plateau) 전압을 유지하게 된다. 이러한 게이트 전압을 센싱 함으로써, 액티브 클램프(active clamp) 동작이 유지되는 시간이 파악될 수 있다. 이를 통해 해당 상(혹은 코일)의 여자 전류가 0으로 감소하였는지 여부와 대응하는 상에 고장이 발생하였는지 여부도 파악될 수 있다.

상술 된 바와 같이, 액티브 클램프(active clamp) 방식을 이용하면, 모터 코일의 여자 전류를 빠르게 감소시킬 수 있다. 액티브 클램프(active clamp) 동작 구간에서 형성되는 클램프(clamp) 전압의 레벨이 높을수록 여자된 코일의 전류가 더 빠르게 감소할 수 있다. 이를 이용하면 SRM의 한계 속도를 더 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 모터 시스템(10)을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 모터 시스템(10)은 모터(100) 및 모터(100)를 제어하는 모터 제어기(200)를 포함할 수 있다.

모터(100)는 스위치드 릴럭턴스 모터(switched reluctance motor; SRM)로 구현될 수 있다. SRM은 고정자 부분에만 코일이 감겨져 있고, 회전자 부분에는 어떠한 형태의 코일이나 영구자석도 존재하지 않는다. SRM은 단상, 2상, 3 상 등의 다양한 형태로 존재할 수 있다. 아래에서는 설명의 편의를 위하여 모터(100)가 3 상의 SRM 이라고 하겠다.

모터 제어기(200)는 스위치 동작을 통하여 모터(100)의 동작을 제어하도록 구현될 수 있다. 모터 제어기(200)는 적어도 하나의 충전 회로(210), 적어도 하나의 방전 회로(220, 230, 240), 및 마이크로콘트롤러 유닛(microcontroller unit; MCU, 250)을 포함할 수 있다.

충전 회로(210)는 모터(100)의 고정자의 코일에 전원을 제공하도록 구현될 수 있다. 충전 회로(210)는 전원 필터(212) 및 스위치(214)를 포함할 수 있다. 전원 필터(212)는 외부 전원(VB)을 제공받고, 필터링을 수행하도록 구현될 수 있다. 스위치(214)는 필터링된 전원을 모터(100)의 고정의 코일에 제공하도록 스위칭 동작을 수행할 수 있다. 실시 예에 있어서, 스위치(214)의 스위칭 동작은 MCU(250)에 의해 제어될 수 있다.

방전 회로(220, 230, 240)의 각각은 고정자의 대응하는 상코일(u, v, w)에 연결되고, 트랜지스터(FET)의 스위칭 동작을 통하여 고정자의 대응하는 상코일을 접지단(GND)에 연결시킴으로써 상코일의 전압을 방전하도록 구현될 수 있다. 아래에서는 설명의 편의를 위하여 방전 회로(220)에 대해서만 설명하도록 하겠다.

방전 회로(220)는 트랜지스터(FET), 가변 클램프 회로(222), 게이트 구동 모듈(224), 및 한계속도 판별회로(226)를 포함할 수 있다.

트랜지스터(FET)는 대응하는 상코일(u)에 연결된 소스(S), 및 접지단(GND)에 연결된 드레인(D)을 포함할 수 있다. 실시 예에 있어서, 트랜지스터(FET)는 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field effect transistor)으로 구현될 수 있다. 하지만, 본 발명의 트랜지스터(FET)가 여기에 제한되지 않는다고 이해되어야 할 것이다. 본 발명의 트랜지스터(FET)는 화합물 반도체(예, IGBT)로 구현될 수도 있다.

가변 클램프 회로(222)는 트랜지스터(FET)의 소스(S)와 게이트(G) 사이에 연결되고, 액티브 클램프(active clamp) 동작을 수행하도록 구현될 수 있다. 도시되지 않았지만, 가변 클램프 회로(222)는 MCU(250)의 제어에 따라 액티브 클램프 전압을 변경/가변/조정/조절/변화/제어 할 수 있다. 예를 들어, 가변 클램프 회로(222)는 MCU(250)의 제어에 따라 대응하는 상(phase) 코일(u)의 전류를 빠르게 방전하도록 클램프 전압을 증가시킬 수 있다.

게이트 구동 모듈(224)은 트랜지스터(FET)의 게이트(G)에 게이트 전압(VG)을 제공하도록 구현될 수 있다. 게이트 전압(VG)은 MCU(250)의 제어에 따라 발생될 수 있다.

한계속도 판별회로(226)는 트랜지스터(FET)의 게이트 전압(VG)을 감지함으로써 액티브 클램프(active clamp) 구간을 판별하고, U 상의 전류가 오프(OFF) 되었는 지를 판별하도록 구현될 수 있다. 즉, 한계속도 판별회로(226)는 모터(100)의 구동속도가 한계속도에 도달하였는 지를 판별할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 SRM(100)을 구동하는 어플리케이션은 구동 트랜지스터가 액티브 클램프(active clamp) 기능을 수행하고, 액티브 클램프(active clamp) 유지 시간을 측정함으로써 모터 구동 한계 속도를 센싱하고, 모터 구동 환경의 고장 여부를 판별할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 어플리케이션은 모터의 구동 한계 속도가 감지될 경우, 모터의 한계속도를 높일 수도 있다.

한편, 도 1에 도시된 가변 클램프 회로(222)는 트랜지스터(FET)의 게이트(G)와 드레인(D) 사이에 제너 다이오드(zener diode)와 다이오드(diode)의 직렬 조합으로 구현될 수 있다. 실시 예에 있어서, 가변 클램프 회로(222)는 직렬 연결된 제너 다이오드 및 다이오드 외에 부가 회로를 추가할 수도 있다. 이 때 트랜지스터(FET)의 드레인-소스 간에 형성되는 액티브 클램프 전압은, “밀러 플래토우 전압” + “제어 전압” + “일반 다이오드 포워드(forward) 전압”으로 구성된다. 그리고 이 때 트랜지스터의 게이트-소스 간에 형성되는 전압은 “밀러 플래토우 전압”을 유지하게 된다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 가변 클램프 회로(222)를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 가변 클램프 회로(222)는 트랜지스터(FET)의 게이트(G)에 연결된 제 1 제너 다이오드(ZD1), 제 1 제너 다이오드(ZD1)과 트랜지스터(FET)의 소스(S) 사이에 연결된 제 1 다이오드(D1), 트랜지스터(FET)의 게이트(G)에 연결된 제 1 스위치(SW)의 일단, 제 1 스위치(SW)의 타단에 연결된 제 2 제너 다이오드(ZD2), 제 2 제너 다이오드(ZD2)과 트랜지스터(FET)의 소스(S) 사이에 연결된 제 2 다이오드(D2)를 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 제 2 제너 다이오드(ZD2)의 제너 전압(zener voltage)은 제 1 제너 다이오드(ZD1)의 제너 전압보다 낮을 수 있다. 여기서 제너 전압은 제너 다이오드에서 역방향으로 흐르는 전류가 정방향 특성과 같이 급격히 흐르도록 하는 전압으로서 항복 전압(breakdown voltage)라고도 부른다.

실시 예에 있어서, 제 1 및 제 2 다이오드(D1, D2)의 각각의 다이오드 전압(예, 순방향 전압)은 동일할 수 있다. 하지만, 본 발명이 여기에 제한되지 않는다고 이해되어야 할 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 가변 클램프 회로(222)는 직렬 연결된 제너 다이오드-다이오드 쌍이 병렬 연결된 구조이고, 스위치(SW) 동작에 의거하여 선택적으로 제너 전압을 결정함으로써 액티브 클램프 전압을 가변 할 수 있다. 예를 들어, 스위치(SW)를 오프(OFF) 할 때 액티브 클램프 전압은 스위치(SW)를 온 할 때 액티브 클램프 전압보다 높다.

한편, 도 2에서는 스위치(SW)의 일단이 트랜지스터(FET)의 일단에 연결되었다. 하지만 본 발명의 스위치(SW)의 위치가 여기에 제한되지 않는다고 이해되어야 할 것이다.

한편, 도 2에 도시된 제너 다이오드-다이오드 쌍은 하나의 제너 다이오드로 구성되었다. 하지만, 본 발명이 여기에 제한되지 않는다고 이해되어야 할 것이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가변 클램프 회로(222a)를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 3을 참조하면, 가변 클램프 회로(222a)는 도 2의 가변 클램프 회로(222)와 비교하여 트랜지스터(FET)의 게이트(G)와 제 1 제너 다이오드(ZD1) 사이에 제 3 제너 다이오드(ZD3)를 더 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 가변 클램프 회로(222a)는, 게이트(C)에 연결된 일단을 갖는 제 1 스위치(SW), 제 1 제너 다이오드(ZD1), 제 1 스위치(SW)의 타단에 연결된 일단을 갖는 제 2 제너 다이오드(ZD2), 게이트(G)에 연결된 일단과 제 1 제너 다이오드(ZD1)의 일단 사이에 연결된 제 3 제너 다이오드(ZD3), 제 1 제너 다이오드(ZD1)의 타단과 소스(S) 사이에 연결된 제 1 다이오드(D1), 및 제 2 제너 다이오드(ZD2)의 타단과 소스(S) 사이에 연결된 제 2 다이오드(D2)를 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 제 1, 제 2, 제 3 제너 다이오드(ZD1, ZD2, ZD3)의 각각의 제너 전압은 동일할 수 있다. 하지만 본 발명이 여기에 제한되지 않는다고 이해되어야 할 것이다. 또한, 도 3에서는 추가되는 제너 다이오드가 하나였지만, 본 발명이 여기에 제한되지 않는다고 이해되어야 할 것이다. 즉, 액티브 클램프 전압을 증가시키기 위하여 적어도 하나의 제너 다이오드가 도 2에 도시된 제너 다이오드-다이오드 쌍에 추가될 수 있다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 가변 클램프 회로(222b)를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 4를 참조하면, 가변 클램프 회로(222b)는 도 2의 가변 클램프 회로(222)와 비교하여 제 1 다이오드(D1)와 제 1 제너 다이오드(ZD1) 사이에 제 3 다이오드(D3)를 더 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 가변 클램프 회로(222b)는, 게이트(G)에 연결된 일단을 갖는 제 1 스위치(SW), 게이트(G)에 연결된 일단을 갖는 제 1 제너 다이오드(ZD1) 제 1 스위치(SW)의 타단에 연결된 일단을 갖는 제 2 제너 다이오드(ZD2), 소스(S)에 연결된 일단을 갖는 제 1 다이오드(D1), 제 2 제너 다이오드(ZD2)의 타단과 소스(S) 사이에 연결된 제 2 다이오드(D2), 및 제 1 다이오드(D1)의 타단과 제 1 제너 다이오드(ZD1)의 타단 사이에 연결된 제 3 다이오드(D3)를 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 제 1, 제 2, 제 3 다이오드(D1, D2, D3)의 각각의 제너 전압은 동일할 수 있다. 하지만 본 발명이 여기에 제한되지 않는다고 이해되어야 할 것이다. 또한, 도 4에서 추가되는 다이오드가 하나였지만, 본 발명이 여기에 제한되지 않는다고 이해되어야 할 것이다. 즉, 액티브 클램프 전압을 증가시키기 위하여 적어도 하나의 다이오드가 도 2에 도시된 제너 다이오드-다이오드 쌍에 추가될 수 있다.

정리하면, 도 2 내지 도 4에 상술된 바와 같이, 본 발명의 가변 클램프 회로는 스위치(SW) 동작에 응답하여 액티브 클램프 전압을 선택하도록 구현될 수 있다. 즉, 스위치(SW)가 온(ON) 되면, 상대적으로 작은(노멀 상태) 액티브 클램프 전압이 형성되고, 스위치(SW)가 오프(OFF) 되면, 상대적으로 큰 액티브 클램프 전압이 형성될 것이다.

한편, 이러한 스위치(SW) 동작을 제어하기 위하여 SRM(100)의 한계 속도를 판별할 필요가 있다. 본 발명의 한계속도 판별 회로(226)은 밀러 플래토우 구간을 감지하도록 구현될 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 트랜지스터(FET)의 밀러 플래토우 구간을 보여주는 도면이다. 도 5를 참조하면, 트랜지스터(FET)의 게이트-소스 전압(Vgs)과 트랜지스터(FET)의 게이트(G)의 전하량(Qg)이 도시된다. 통상적으로 게이트 전하량(Qg)의 증가에 따라 게이트-소스 전압(Vgs)이 낮아지는데, 밀러 플래토우(Miller Plateau) 구간에서는 일정한 값을 유지하는 것을 볼 수 있다. 밀러 플래토우 구간은 제 1 밀러 기준 전압(MREF1)과 제 2 밀러 기준 전압(MREF2) 사이의 구간으로 정의될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 한계속도 판별회로(226)는, SRM의 특정 상(phase)의 트랜지스터(MOSFET)을 구동하는 게이트 출력 전압을 센싱하여 그 전압이 밀러 플래토우(Miller Plateau) 구간에 들어왔는지 여부를 판별하는 회로, 및 특정 상(phase)의 전류가 오프(OFF) 되었는지 판별하는 회로를 추가로 포함할 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 한계속도 판별 회로(226)를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 6을 참조하면, 한계속도 판별 회로(226)는 제 1 비교기(COM1), 제 2 비교기(COM2), 및 논리회로(OR)를 포함할 수 있다.

제 1 비교기(COM1)는 U 상의 게이트 전압(Vg)과 제 1 밀러 플래토우 전압(MREF1)을 비교함으로써 제 1 판별 신호(DS1)를 발생하도록 구현될 수 있다.

제 2 비교기(COM2)는 U 상의 게이트 전압(Vg)과 제 2 밀러 플래토우 전압(MREF2)을 비교함으로써 제 2 판별 신호(DS2)를 발생하도록 구현될 수 있다.

논리회로(OR)는 제 2 비교기(COM2)의 제 2 판별 신호(DS2)와 U 상의 MCU 전압(Vmcu)을 오어(OR) 연산함으로써, 제 3 판별 신호(DS3)를 발생할 수 있다.

MCU(250)는 제 1 판별 신호(DS1)로부터 제 2 판별 신호(DS2) 사이의 구간을 밀러 플레이트 구간으로써, 액티브 클램프 유지 시간으로 측정할 수 있다. 측정된 액티브 클램프 유지 시간은 액티브 클램프(active clamp)의 최소 유지 시간보다 짧을 경우, MCU(250)은 고장 판별을 할 수 있다. 액티브 클램프(active clamp) 유지 시간의 측정은, 도 5에 도시된 제 1 밀러 기준 전압(VREF1) ~ 제 2 밀러 기준 전압(VREF2)의 구간에 대응하는 시간을 측정하는 것이다.

도 7은 U 상을 오프(OFF)하고, V 상을 온(ON)할 때 한계속도 판별 회로(226)의 동작을 예시적으로 설명하는 도면이다. 도 7를 참조하면, U 상을 오프(OFF)하고, V 상을 온(ON)하는 구간일 경우, MCU(250)는 밀러 플래토우 전압(MREF2)을 근거로 한 “U 상 전류 OFF 시점 판별 신호”(DS3)를 감지할 수 있다.

MCU(250)는 V상을 온(ON)하기 전에(즉, Vmcu(V)가 하이 레벨 이전에), U상의 전류(I(U))가 오프(OFF) 되었는지(즉, I(U)가 0인지) 여부를 판별할 수 있다. 여기서, U 상의 드레인-소스 전압(Vds(U))은 클램프 전압이고, U 상의 게이트-소스 전압(Vgs(U)은 제 1 밀러 플래토우 전압(MREF1)과 제 2 밀러 플래토우 전압(MREF2) 사이의 밀러 플래토우 구간에서 일정한 범위 내에서 유지되다가, 밀러 플래토우 구간 이후에 0으로 떨어진다.

또한, MCU(250)는 “U상 액티브 클램프(active clamp) 유지 시간 판별 신호들”(DS1, DS2)를 통해 U상에서 액티브 클램프(active clamp) 유지되는 시간을 판별할 수 있다. 이러한 액티브 클램프 시간이 기준 값 이하일 경우, U상의 비정상 상황이 인지될 수 있다. 즉, 단선 혹은 단락이 인지될 수 있다. 이렇게 진단을 할 수 있는 이유는, 인덕티브 로드(inductive load)를 구동하는 상황에서만 트랜지스터(FET) 오프(OFF) 시에 액티브 클램프(active clamp)가 동작하기 때문이다.

모터의 구동 속도가 한계 속도에 도달하지 않은 경우에는, U상의 전류(I(U)가 0까지 감소한 다음에 V상이 턴-온(turn-on) 됨으로써, 즉, Vmcu(V)가 하이 레벨 일 때, 모터의 구동 토크 손실(loss)이 발생하지 않게 된다.

하지만 모터의 빠른 동작 완료를 요구하는 어플리케이션 상황이 발생하여 모터의 한계 속도에 도달하면, 모터의 구동 토크 손실(loss)가 발생한다. 모터 구동 이용자가 원하는 동작 완료 시간 내에 동작을 완료하지 못하는 상황이 발생될 수 있다.

모터의 한계 속도에 도달했는지 여부는 추가된 회로의 “U상 전류 OFF 시점 판별 신호“로 MCU(250)에서 판별될 수 있다. 이 판별에 근거하여 모터의 한계 속도를 높이는 방법은 아래와 같다.

본 발명의 모터 시스템(10)은 SRM(100)의 한계 속도를 높이기 위해 액티브 클램프(active clamp) 전압을 높이는 방법을 이용한다. 액티브 클램프(active clamp) 전압을 높이게 되면, 여자된 전류가 더 빠르게 감소될 수 있다. 액티브 클램프(active clamp) 전압은 “밀러 플래토우 전압” + “제어 전압” + “일반 다이오드 forward 전압”이다. 따라서, 이를 증가시키기 위해서는, 제너 전압이 더 높은 제너 다이오드가 이용되거나, 제너 다이오드 또는 일반 다이오드가 직렬로 더 연결될 수 있다. 한편, 본 발명은 이 외에도 액티브 클램프(active clamp) 전압을 높일 수 있는 추가 회로를 트랜지스터(MOSFET)의 게이트-소스(gate-source) 간에 추가하는 모든 방법을 포함한다고 이해되어야 할 것이다.

스위치를 온(ON)할 경우, 기존의 액티브 클램프 회로대로 동작하고, 스위치를 오프(OFF)할 경우, 기존의 클램프 회로는 무시되고, 추가된 회로에 의한 액티브 클램프 회로가 동작함으로써 더 높은 전압에서 액티브 클램프 전압이 형성된다. 위의 스위치는 평상시는 닫혀 있게 되고, 모터의 한계 속도에 도달하였다고 MCU가 판별 되었을 경우, 스위치를 오프 함으로써, 더 높은 액티브 클램프 전압이 형성될 수 있다. 액티브 클램프 전압이 높게 형성되면, 그만큼 여자된 모터 코일의 전류 감소 속도가 증가되고, SRM의 구동 한계 속도가 더 높아질 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 모터 시스템(10)에서 스위치드 릴럭턴스 모터(SRM)를 제어하기 위한 동작 방법을 예시적으로 보여주는 흐름도이다. 도 1 내지 도 8를 참조하면, 모터 시스템(10)의 동작 방법은 다음과 같이 진행될 수 있다.

MCU(250)의 제어에 따라 제 1 상(예를 들어, U 상)의 전원 공급을 위한 스위치가 오프 될 수 있다(S110). 제 1 상에 대응하는 코일의 전류가 방전 회로(예, 220)에 의해 줄어들기 시작할 것이다. 한계속도 판별 회로(도 1 참조, 226)는 SRM(100)의 한계속도 도달 여부를 판별할 수 있다(S120). MCU(250)는 한계 속도 판별 회로(226)의 판별 신호(DS1)에 응답하여 가변 클램프 회로(224)의 클램프 전압을 증가시킬 수 있다(S130). 증가된 클램프 전압에 따라 제 1 상 코일의 전류는 보다 빠르게 방전될 수 있다. 이후, MCU(250)는 한계속도 판별 회로(226)의 판별 신호(DS3)에 응답하여 제 1 상 코일의 전류가 0인지 판별할 수 있다. 소정의 시간 이후에 MCU(250)는 제 2 상(예를 들어, V 상)에 전원 공급을 위한 스위치를 온(ON) 시킬 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 모터 시스템은, SRM의 액티브 클램프 구동 시에 게이트 전압을 센싱하여 모터 구동 한계 속도를 센싱하고, 이에 따라 액티브 클램프 전압을 증가시킴으로써 보다 빠르게 대응하는 코일의 잔류 전류를 제거 할 수 있다.

한편, 상술 된 본 발명의 내용은 발명을 실시하기 위한 구체적인 실시 예들에 불과하다. 본 발명은 구체적이고 실제로 이용할 수 있는 수단 자체뿐 아니라, 장차 기술로 활용할 수 있는 추상적이고 개념적인 아이디어인 기술적 사상을 포함할 것이다.

10: 모터 시스템
100: 스위치드 릴럭턴스 모터
200: 모터 제어기
210: 충전 회로
220, 230, 240: 방전 회로
222: 가변 클램프 회로
FET: 트랜지스터
224: 게이트 구동 모듈
226: 한계속도 판별회로
250: MCU

Claims (14)

1. 스위치드 릴럭턴스 모터; 및 상기 스위치드 릴럭턴스 모터를 제어하는 제어기를 포함하고,
   상기 제어기는, 상기 스위치드 릴럭턴스 모터의 제 1 상의 제 1 코일에 전원을 공급하는 충전 회로; 및 상기 제 1 상의 제 1 코일의 전류를 방전하는 방전 회로를 포함하고,
   상기 방전 회로는, 상기 제 1 코일에 연결된 소스, 접지단에 연결된 드레인을 갖는 트랜지스터; 및 상기 트랜지스터의 게이트와 상기 소스 사이에 가변 클램프 회로를 포함하고,
   상기 가변 클램프 회로는 상기 게이트의 전압에 따라 클램프 전압을 가변하는 모터 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 충전 회로는,
   외부 전압을 수신 및 필터링하는 전원 필터; 및
   상기 전원 필터의 출력 전압을 상기 제 1 코일에 연결하는 스위치를 포함하는 모터 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 충전 회로 및 상기 방전 회로를 제어하는 MCU(microcontroller unit)을 더 포함하는 모터 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 방전 회로는,
   상기 MCU의 제어에 따라 발생된 게이트 전압을 상기 게이트에 인가하는 게이트 구동 모듈을 더 포함하는 모터 시스템.
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 방전 회로는,
   상기 게이트의 전압을 감지함으로써 모터의 한계 속도를 판별하는 한계속도 판별 회로를 더 포함하는 모터 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 한계속도 판별 회로는,
   상기 게이트의 전압과 제 1 밀러 플래토우 전압을 비교하고, 제 1 판별 신호를 발생하는 제 1 비교기;
   상기 게이트의 전압과 제 2 밀러 플래토우 전압을 비교하고, 제 2 판별 신호를 발생하는 제 2 비교기; 및
   상기 제 2 판별 신호와 제 1 상의 MCU 전압을 비교하여 제 3 판별 신호를 발생하는 논리 회로를 포함하는 모터 시스템.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 가변 클램프 회로는,
   상기 제 1 판별 신호와 상기 제 2 판별 신호 사이에서 상기 클램프 전압을 증가시키는 모터 시스템.
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 제 3 판별 신호에 응답하여 제 2 상의 MCU 전압이 제 2 상의 코일에 인가되는 모터 시스템.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 가변 클램프 회로는,
   상기 게이트에 연결된 일단을 갖는 제 1 스위치;
   상기 게이트에 연결된 일단을 갖는 제 1 제너 다이오드;
   상기 제 1 스위치의 타단에 연결된 일단을 갖는 제 2 제너 다이오드;
   상기 제 1 제너 다이오드의 타단과 상기 소스 사이에 연결된 제 1 다이오드; 및
   상기 제 2 제너 다이오드의 타단과 상기 소스 사이에 연결된 제 2 다이오드를 포함하는 모터 시스템.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변 클램프 회로는,
    상기 게이트에 연결된 일단을 갖는 제 1 스위치;
    제 1 제너 다이오드;
    상기 제 1 스위치의 타단에 연결된 일단을 갖는 제 2 제너 다이오드;
    상기 게이트에 연결된 일단과 상기 제 1 제너 다이오드의 일단 사이에 연결된 제 3 제너 다이오드;
    상기 제 1 제너 다이오드의 타단과 상기 소스 사이에 연결된 제 1 다이오드; 및
    상기 제 2 제너 다이오드의 타단과 상기 소스 사이에 연결된 제 2 다이오드를 포함하는 모터 시스템.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변 클램프 회로는,
    상기 게이트에 연결된 일단을 갖는 제 1 스위치;
    상기 게이트에 연결된 일단을 갖는 제 1 제너 다이오드;
    상기 제 1 스위치의 타단에 연결된 일단을 갖는 제 2 제너 다이오드;
    상기 소스에 연결된 일단을 갖는 제 1 다이오드;
    상기 제 2 제너 다이오드의 타단과 상기 소스 사이에 연결된 제 2 다이오드; 및
    상기 제 1 다이오드의 타단과 상기 제 1 제너 다이오드의 타단 사이에 연결된 제 3 다이오드를 포함하는 모터 시스템.
12. 스위치드 릴럭턴스 모터를 제어하는 제어기의 동작 방법에 있어서:
    제 1 상의 제 1 코일에 전원 공급을 위한 스위치를 오프 시키는 단계;
    상기 제 1 코일의 제 1 상의 전류를 방전하는 단계;
    상기 스위치드 릴럭턴스 모터의 한계 속도 도달 여부를 판별하는 단계;
    상기 한계 속도에 도달할 때, 액티브 클램프 전압을 증가시키는 단계; 및
    상기 제 1 코일에 제 2 상의 전원 공급을 위한 스위치를 온 시키는 단계를 포함하는 방법.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 한계 속도 도달 여부를 판별하는 단계는,
    트랜지스터의 게이트 전압에 대한 밀러 플래토우 전압을 이용함으로써 상기 한계 속도 도달을 판별하는 단계를 포함하는 방법.
14. 제 12 항에 있어서,
    상기 액티브 클램프 전압을 증가시키는 단계는,
    클램프 전압에 대응하는 직렬 연결된 제너 다이오드와 다이오드 쌍을 선택하는 단계를 포함하는 방법.

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